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电力电子技术风力应用


电力电子技术在风力领域的应用
赵勋龙 1353400327 摘要
风力发电是低碳新能源中最具开发条件,商业化发展前景和潜力 最大的发电方式之一。随着风力发电技术的发展和应用推广,对风力 发电的效率和电能质量的要求越来越高, 而应用电力电子技术和控制 技术是有效的实现手段。风能是洁净的,可再生的,储量很大的低碳 能源,为了缓解能源危机和供电压力,改善生存环境,在

20 世纪 70 年代中叶以后受到重视和开发利用。风力发电有很多独特的优点:施 工周期短,投资灵活,实际占地少,对土地要求低等,但仍在并网、 输电、 风机控制等方面存在问题, 阻碍了风力发电的广泛应用。 因此, 要大规模的应用先进的电力电子技术到风力发电当中, 有效的解决现 有问题,使得风力发电成为电力行业的生力军。

一、应用的工作原理和方案
电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发展,而 先进的电力电子器件为其在风力发电中的应用奠定了坚实的基础。 1.IGBT 在二十多年的发展历程中,除了保持 IGBT 基本结构、基本原理 的特点不变之外,它经历了六代有各自特色的演变。迄今为止 IGBT 仍是风力发电工程中使用的最广泛的功率器件 ,在风力发电中,因为 风速经常变化,IGBT 模块在很短的时间内温度波动起伏大,会导致 芯片和铜底片之间以及铜底片和基板之间的焊接部分承受大量的周 期性的热-机械应力,所以提高模块应力十分重要。此外,在风力发 电机舱中空间的节省不是一个小问题, 提高模块功率密度也不容忽视。 IGBT 的电压源换流器具有关断电流的能力,可以应用脉宽调制技术 (PWM)进行无源逆变, 解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电 的问题。 科学家针对风力系统特点专门设计了一种采用由 IGBT 组成的 “H” 型 SPWM 逆变器,通过控制“H”型逆变器中 IGBT 的开关波形,可 以控制输出电流;通过控制 SPWM 的起始角θ ,可以使逆变器以功率

因数为 1 的方式向电网输送能源,并使谐波因数、畸变因数达到设计 要求。 2.交直交变频器 在变速恒频风力发电系统中,需要变频装置来完成由发电机到电 网的能量传递。 交直交变频器有效地克服了交交变频器的输出电压谐 波多,输入侧功率因数低,使用功率元件数量多等缺点,易于控制策 略的实现和双向变流, 特别适合变速恒频双馈电机风力发电系统和无 刷双馈电机风力发电系统。此外,海上风电场采用电力电子变频器能 够实现有功和无功的控制, 使风电机组运行在变速状态以捕获最大的 风能同时降低机械应力和噪音。 3.矩阵变换器 矩阵变换器是一种交交直接变频器,没有中间直流环节,功率电 路简单,可输出幅值、频率均可控的电压,谐波含量较小。应用于风 力发电中的矩阵式变换器,通过调节其输出 频率、电压、电流和相位,以实现变速恒频控制、最大风能捕获 控制、以及有功功率和无功功率的解耦控制等,目前矩阵式变换器的 控制多采用空间矢量变换控制方法。

二、应用的现状
风能发电已经正在变成为被广泛接受的发电技术。伴随着风电技 术的开发在世界各国的不断发展,风力发电呈现出以下主要特点:装 机规模不断扩大,风电发电量占世界总电量的比例逐年增加,从占总 量的不到 1‰发展到 2004 年的 5‰;发电机单机容量不断扩大。作为 提高风能利用率和发电效益的有效途径,发电机单机容量从 1997 年 以前的 500~750kw 主流机型发展到目前 3.6MW 机组的批量安装;海 上风电场逐步商业化。海上风电场具有风速高、风力稳定、各种干扰 少、发电量大等特点,可以有效利用风电机组的发电容量 ;风力发电 成本不断降低。风电的建设投资成本较高,但营运费用很低。

三、发展趋势
1.海上风力发电 风力涡轮发电机技术未来主要的发展趋势就是离岸安装。 海上有 大量风能资源可以在海水相对较浅的许多区域安装风力涡轮发电机。

离岸涡轮发电机通常能产生比安装在附近区域的岸上的涡轮发电机 多 50%的能量。原因在于海平面上的空气阻力比较小。另一方面,离 岸系统的平台结构和安装要比岸上系统多花 50%以上的能量。但是, 应当滓意离岸涡轮发电机比岸上涡轮发电机有大约多 25—30 年的寿 命。原因在于海风的低扰动使风力涡轮发电机的疲劳载荷较轻。 2.大功率中压变流器拓扑 为了降低每瓦成本和提高风能的转换效率, 最近几年风力涡轮发 电机的标称功率不断地增长。 3.用于风电场的未来的储能技术 储能技术能潜在地改善风电的技术和经济上的吸引力, 特别当它 超过总系统能量的 10%时(大约系统容量的 20%——25%)一个风电场 中的储能系统将在平均 l5 分钟风力的岛效时间内被用作海量储能和 在较短期间吸收或注入能量,以维持电网频率稳定。


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